荸荠淀粉糊流变性质的研究

任剑豪 甘增鹏 詹浩通 廖卢艳

(湖南农业大学食品科学技术学院；湖南省发酵食品工程技术研究中心，长沙 410128)

荸荠中淀粉含量可观，国内外对荸荠淀粉的特性已经有了部分研究[1]。但目前有关荸荠淀粉流变特性的研究报道较少，大量研究主要针对淀粉浓度、淀粉中蔗糖、食盐、亲水性胶体的添加对其他植物淀粉的流变特性的影响[2]。杨秋歌等[3]报道食盐和蔗糖能提高小利马豆淀粉糊的黏度，冷、热稳定性变好；胡珊珊等[4]的研究表明食盐能使羟丙基木薯淀粉流变特性指数增加，蔗糖能使之流变特性指数减小。亲水性胶体对淀粉的性质影响有大量的研究，如龙明秀等[5]研究了魔芋胶对甘薯淀粉流变特性的影响；柳艳梅等[6]研究了果胶、阿拉伯胶、卡拉胶对大米淀粉流变性质的影响；刘敏等[7]指出适量黄原胶的添加能够有效提高莲藕淀粉的稳定性和流动性。

淀粉糊的流变特性是一种复杂的性质，受多种因素的影响，如淀粉浓度、淀粉品种、温度、添加剂等。流变性直接影响了淀粉食品的品质优劣和淀粉的应用范围，同时对加工后荸荠淀粉产品的品质也有很大的影响。因此，深入研究淀粉糊的流变特性对荸荠淀粉及其制品开发有着重要意义。本实验研究荸荠淀粉的浓度、盐浓度、糖浓度以及黄原胶、瓜尔豆胶和卡拉胶3种亲水性胶体对荸荠淀粉糊流变性质的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

荸荠淀粉(干基含水量10.85%)；食盐、蔗糖：食品级，市售；黄原胶、瓜尔豆胶、卡拉胶：食品级。

1.2 主要仪器与设备

RVA-Techmaster快速黏度分析仪；Kinexus pro+旋转流变仪。

1.3 方法

1.3.1 淀粉糊样品的制备

样品含水量10.85%，在RVA配套的软件RCW上计算出标样的实际添加量为2.95 g，称取标样，放入专用铝筒中，加入25 g超纯水，用RVA仪进行制备。应用糊化程序：RVA在50 ℃下保持1 min 20 s，升温至95 ℃保持3 min 35 s，在95 ℃下保持2 min 30 s，从95 ℃降至50 ℃保持3 min 35 s，在50 ℃下保持2 min。

1.3.2 淀粉糊流变特性曲线的测定

静态流变特性的测定：取少量荸荠淀粉糊，选择直径40 mm夹具，放入流变仪的测定平台上，样品间距为1.000 mm，刮去平板外多余淀粉糊，用干净的纱布清洁平板。流变仪程序、参数设置：选择静态流变测试，温度25 ℃，剪切速率从0.1～300 s-1递增，再从300～0.1 s-1递减，时间均为3 min，测定荸荠淀粉糊的表观黏度、剪切应力随剪切速率升高、降低的变化。

动态流变特性的测定：选择动态流变测试，测试条件：应变1.000%，频率由0.1 Hz升至10 Hz，时间为10 min，测定荸荠淀粉糊的储存模量(G′)、损耗模量(G″)、损耗角正切值(tanδ)随频率增加的变化。

1.3.3 淀粉浓度对荸荠淀粉糊流变特性的影响

用25 mL蒸馏水溶解一定量的荸荠淀粉，分别调制成4%、6%、8%、10%、12%浓度的荸荠淀粉溶液，用RVA将其制成淀粉糊，用旋转流变仪测定荸荠淀粉糊在不同淀粉浓度影响下的静态流变特性曲线、动态流变特性曲线。

1.3.4 食盐浓度对荸荠淀粉糊流变特性的影响

分别调制浓度为1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的食盐水代替蒸馏水，分别取25 mL食盐水加入铝桶，加入2.95 g的荸荠淀粉，其他步骤同1.3.4。

1.3.5 蔗糖浓度对荸荠淀粉糊流变特性的影响

分别调制3%、6%、9%、12%、15%浓度的蔗糖水溶液来代替蒸馏水，分别取25 mL蔗糖水加入铝桶，加入2.95 g的荸荠淀粉，其他步骤同1.3.4。

1.3.6 黄原胶对荸荠淀粉糊流变特性的影响

分别称取0、0.25%、0.5%、0.75%、1%的黄原胶浓度的黄原胶-荸荠淀粉混合粉2.95 g，加入超纯水25 mL，其他步骤同1.3.4。

1.3.7 卡拉胶对荸荠淀粉糊流变特性的影响

将2.95 g荸荠淀粉记为100%，称取0%、0.25%、0.5%、0.75%、1%的卡拉胶，分别与2.95 g荸荠淀粉混合得到卡拉胶-荸荠淀粉混合粉，加入超纯水25 mL，其他步骤同1.3.4。

1.3.8 瓜尔豆胶对荸荠淀粉糊流变特性的影响

分别称取0、0.25%、0.5%、0.75%、1%的瓜尔豆胶浓度的瓜尔豆胶-荸荠淀粉混合粉2.95 g，加入超纯水25 mL，其他步骤同1.3.4。

1.4 数据处理

使用Excel软件统计分析数据并作图。

2 结果与分析

2.1 淀粉浓度对荸荠淀粉动态流变特性的影响

由图1可知，在频率增大的过程中，不同浓度淀粉糊在0.1～0.5 Hz的范围内，弹性模量(G′)和黏性模量(G″)急剧上升，达到0.5 Hz后上升的趋势变慢。在频率增大的过程中，各浓度荸荠淀粉糊的G′、G″的变化基本趋向一致。G′、G″与淀粉浓度呈正相关，浓度越高的样品，G′、G″越大，上升速度越快。因为浓度越高的样品中，淀粉分子间的相互作用越强，分子链的运动减弱，易形成网络结构[8]。总体而言，荸荠淀粉具有弹性性质和黏性性质，具备凝胶(固体状态下呈现出弹性)和溶胶(有液体的流动性和黏性)之间的力学物性[9]，由于G′均大于G″，所以弹性性质占主导地位。tanδ随频率的增大而增大，且与淀粉浓度呈负相关。低淀粉浓度样品的tanδ值更大，证明该体系的黏性更大，体系表现为更强的流动性。高淀粉浓度样品tanδ更小，证明体系的弹性更大，体系表现为更强的固体性质。

图1 不同淀粉浓度下荸荠淀粉的弹性模量、黏性模量和损耗角正切值图

2.2 淀粉浓度对荸荠淀粉静态流变特性的影响

由图2可知，大致趋势上，各浓度淀粉糊的表观黏度随剪切速率的增大而减小，随剪切速率的减小而增大，表明该淀粉体系呈现典型的“剪切稀化”现象[10]。图2a前段出现的小范围随剪切速率增加而表观黏度增加的现象可能是由于样品本身的表面张力影响导致，这可能与其他食品成分对样品表观黏度产生类似的影响原因一致。在相同剪切速率的条件下，随着淀粉浓度的增大，淀粉糊的表观黏度增大。剪切速率范围为0.1～300 s-1，随着剪切速率的增大，剪切作用时间延长，荸荠淀粉糊的表观黏度减小，最终趋向稳定。因为剪切速率增大，分子链断裂得越多，有利于淀粉糊流动，凝胶结构越容易被破坏，黏度下降越明显，不易恢复[11]。剪切速率范围为300～0.1 s-1，表观黏度随剪切速率减小而增大，呈现出明显的剪切稀化现象，表观黏度总体上降低了。因为分子间键的破坏速度超过其再形成的速度，从而导致淀粉糊的抵抗剪切力下降，表观黏度变小[12]。 黄峻榕等[13]研究发现薯类淀粉浓度增加，淀粉糊的动态黏弹性增强，与本实验中结论一致。荸荠淀粉糊的静态流变曲线趋向剪切应力轴，剪切应力与剪切速率之间的变化不成线性关系，则说明该淀粉糊为非牛顿性流体。体系的表观黏度随剪切速率的增大而减小，则说明荸荠淀粉糊为假塑性流体。相同剪切速率下，淀粉糊的浓度越高，其剪切应力越大。

图2 不同浓度的淀粉下荸荠淀粉的表观黏度和剪切应力图

2.3 食盐浓度对荸荠淀粉流变特性的影响

2.3.1 食盐浓度对荸荠淀粉动态流变特性的影响

由图3可知，与原淀粉相比，食盐的添加大幅提高了荸荠淀粉糊的G′、G″。这是因为食盐促进了直链淀粉的溶出，并形成了网络结构[14]。淀粉和盐相互作用导致淀粉颗粒移动性下降，从而使得体系的G′、G″增大[15]。2%食盐浓度淀粉糊的G′、G″最大，可能的原因是2%浓度的食盐增强了直链淀粉的氢键聚合，让淀粉颗粒嵌入直链而形成更加牢固的网络。由于G′均大于G″，所以体系的弹性性质占主导地位。与原荸荠淀粉相比，食盐在1%、2%、2.5%、3%浓度范围内提高了荸荠淀粉糊的tanδ，增强了体系的流动性，而1.5%浓度的食盐降低了淀粉糊的tanδ，证明体系的弹性更大，食盐增强了体系的固体性质。张旭东等[16]的研究表明低盐浓度促进玉米淀粉凝胶化，高盐浓度抑制凝胶化；郑炯等[17]研究中NaCl能对豌豆淀粉/低酯果胶复配体系流变性产生影响，均与本研究结果相同。

图3 不同食盐浓度下荸荠淀粉的弹性模量、黏性模量和损耗角正切值图

2.3.2 食盐浓度对荸荠淀粉静态流变特性的影响

由图4可知，食盐的添加没有改变荸荠淀粉糊剪切稀化的现象。加入食盐后，淀粉糊的静态流变曲线并没有发生改变，这表明食盐-荸荠淀粉糊复合体系仍为非牛顿型假塑性流体。在0.1～300 s-1剪切速率范围内，与原荸荠淀粉相比，食盐的添加使得体系的表观黏度下降，各食盐浓度体系的表观黏度值无明显的差异。在300～0.1 s-1剪切速率范围内，表观黏度随速率的减小而增大，增加趋势相同，原荸荠淀粉的表观黏度均小于其他各食盐浓度体系，且2%食盐浓度体系的恢复后表观黏度值最大。由此可见，盐的添加提高了体系的恢复黏度的能力，可以选用合适的食盐浓度以降低生产成本。同时，与原荸荠淀粉相比，盐的添加提高了体系的剪切应力。

图4 不同食盐浓度下荸荠淀粉的表观黏度和剪切应力图

2.4 蔗糖浓度对荸荠淀粉流变特性的影响

2.4.1 蔗糖浓度对荸荠淀粉动态流变特性的影响

由图5可知，随蔗糖添加量的增大，G′、G″均呈逐渐增大的趋势。3%糖浓度的淀粉糊的G′、G″小于原荸荠淀粉，12%糖浓度的荸荠淀粉糊G′、G″最大，可能的原因是蔗糖分子与水分子间形成氢键，减弱了淀粉与水分子之间的氢键作用，使得淀粉分子间氢键作用增强，从而增大了G′、G″。当蔗糖添加量超出了水分子间的氢键饱和度，一部分淀粉分子与蔗糖分子形成氢键，使得淀粉分子间的氢键作用减弱，导致淀粉糊的G′、G″降低[18]。由于G′均大于G″，所以体系的弹性性质占主导地位。Yoo等[19]研究发现了蔗糖的加入使大米淀粉糊的黏度减小，凝胶强度降低，且随蔗糖浓度的增加G′、G″都减小；与本文结果不尽相同的原因可能是大米淀粉与荸荠淀粉构成上有些许差异。与原荸荠淀粉相比，蔗糖的加入使得体系的tanδ下降，证明体系的弹性更强，蔗糖使得体系有更强的固体特性。

图5 不同蔗糖浓度下荸荠淀粉的弹性模量、黏性模量和损耗角正切值图

2.4.2 蔗糖浓度对荸荠淀粉静态流变特性的影响

由图6可知，加入蔗糖后，淀粉糊的静态流变曲线并没有发生改变，这表明盐-荸荠淀粉糊复合体系仍为非牛顿型假塑性流体。剪切速率为0.1～300 s-1，各蔗糖浓度体系的表观黏度随着剪切速率的增大而减小。在同一剪切速率下，淀粉糊的表观黏度与蔗糖的浓度呈正相关。与原荸荠淀粉相比，蔗糖的添加使得体系的表观黏度增大。剪切速率为300～0.1 s-1，各蔗糖浓度体系的表观黏度因剪切速率的减小而增大，恢复后的表观黏度大小与蔗糖的浓度呈正相关关系，蔗糖提高了体系恢复表观黏度的能力。糖浓度越高，体系的剪切应力就越大。

图6 不同糖浓度下荸荠淀粉的表观黏度和剪切应力图

2.5 黄原胶对荸荠淀粉流变特性的影响

2.5.1 黄原胶对荸荠淀粉动态流变特性的影响

由图7可知，0.25%黄原胶浓度的淀粉糊的G′、G″最大，而0.5%黄原胶浓度的淀粉糊的G′、G″最小。一定浓度黄原胶的添加提高了体系G′、G″，原因是胶体与荸荠淀粉之间具有协同增稠作用，黄原胶的加入使得淀粉与黄原胶体系内部的分子链之间的缠绕点增多，凝胶体系网络结构得到巩固[20]。G′始终大于G″，说明所有体系均以弹性性质为主。黄原胶浓度为0%、0.5%的样品的变化曲线成持续增大的现象。黄原胶的添加明显增大体系的tanδ，证明体系有更强的黏性，黄原胶-淀粉体系表现出更强的流动性。

图7 不同黄原胶浓度下荸荠淀粉的弹性模量、黏性模量和损耗角正切值图

2.5.2 黄原胶对荸荠淀粉静态流变特性的影响

亲水性胶体增强流体假塑性的原因可归结为胶体与直链淀粉颗粒间的相互作用促进了氨键的形成，提高了溶胀淀粉颗粒所占比例。由图8可知，黄原胶-荸荠淀粉糊复合体系仍为非牛顿型假塑性流体。在剪切速率为0.1～300 s-1中，表观黏度在剪切速率增加的很小范围内，淀粉糊的黏度下降地很快，随着剪切速率的持续增加，体系的表观黏度缓慢降低。这可能的原因是淀粉和黄原胶形成了一种把水分包裹起来的网状结构，不易流动，若破坏了这种结构，释放出包裹的水分，淀粉糊黏度下降速度就变快[21]。在300～0.1 s-1剪切速率范围内，表观黏度随剪切速率的减小而增大，其中0.25%浓度的黄原胶可提高体系的恢复表观黏度的能力。剪切速率为0.1～300 s-1，0.25%、0.75%浓度的黄原胶提高了体系的剪切应力，而0.5%、1%的黄原胶降低了体系的剪切应力。300～0.1s-1剪切速率范围，0.25%黄原胶浓度的样品的剪切应力最大。

图8 不同黄原胶浓度下荸荠淀粉的表观黏度和剪切应力图

2.6 卡拉胶对荸荠淀粉流变特性的影响

2.6.1 卡拉胶对荸荠淀粉动态流变特性的影响

由图9可知，卡拉胶的加入，更大程度改变了淀粉分子间原有的排列方式，形成更加稳定三维网络结构，使体系结构更为致密，提高荸荠淀粉的G′、G″，表现出较高的黏弹性。G′始终大于G″，体系以弹性为主。1%卡拉胶浓度的样品的G′、G″最大。与原荸荠淀粉相比，0.25%、0.5%、0.75%浓度的卡拉胶降低了荸荠淀粉糊的tanδ值，说明该浓度下的体系有更强的弹性，体系表现出很强的固体特性。

图9 不同卡拉胶浓度下荸荠淀粉的弹性模量、黏性模量和损耗角正切值图

2.6.2 卡拉胶对荸荠淀粉静态流变特性的影响

由图10可知，卡拉胶的添加没有改变淀粉糊剪切稀化的现象，复合体系仍为非牛顿型假塑性流体。与原荸荠淀粉相比，卡拉胶使得体系的表观黏度下降且均小于原荸荠淀粉，1%卡拉胶浓度体系的表观黏度最大。原因是该浓度下的卡拉胶与淀粉分子间缠绕程度更紧密，形成较为稳定的氢键，阻碍了分子运动，对流动产生较大的阻力，体系的黏弹度较好[22]。在300～0.1 s-1剪切速率范围内，1%卡拉胶浓度下的体系恢复黏度的能力要高于原荸荠淀粉糊。剪切速率为0.1～300 s-1，随着剪切速率的增大，剪切应力在初始速率下会显现出急剧增大的现象，随后0.75%、1%卡拉胶浓度下体系的剪切应力呈增大趋势，而0.25%、0.5%卡拉胶浓度下体系的剪切应力呈现出降低的现象。剪切速率为300～0.1 s-1，1%黄原胶浓度体系的剪切应力最大，其他卡拉胶浓度体系的剪切应力要小于原荸荠淀粉。

图10 不同卡拉胶浓度下荸荠淀粉的表观黏度和剪切应力图

2.7 瓜尔豆胶对荸荠淀粉流变特性的影响

2.7.1 瓜尔豆胶对荸荠淀粉动态流变特性的影响

由图11可知，在瓜尔豆胶-荸荠淀粉的复配体系中，G′、G″随频率的增大而增大，且G′大于G″。荸荠淀粉与瓜尔豆胶分子链之间的缠绕点增加，体系的凝胶网络结构更强，因此有更优越的黏弹性[23]。瓜尔豆胶的羟基与淀粉间形成氢键，分子间形成网络结构,使得瓜尔豆胶与淀粉之间产生强烈的协同增效作用[24]。与原荸荠淀粉相比，添加0.5%、0.75%、1%浓度的卡拉胶使体系tanδ增大，这主要是瓜尔豆胶降低了混合体系弱凝胶结构的稳定性[25]。

图11 不同瓜尔豆胶浓度下荸荠淀粉的弹性模量、黏性模量和损耗角正切值图

2.7.2 瓜尔豆胶对荸荠淀粉静态流变特性的影响

由图12可知，瓜尔豆胶的添加没有改变淀粉糊剪切稀化的现象，复合体系仍为非牛顿型假塑性流体。在0.1～300 s-1剪切速率范围内，与原荸荠淀粉相比，瓜尔豆胶的添加使体系的表观黏度下降且均小于原荸荠淀粉。在剪切速率为300～0.1 s-1中，表观黏度随剪切速率的减小而增大，0.25%、1%瓜尔豆胶浓度的体系恢复黏度的能力要强于原荸荠淀粉以及其他浓度体系。同时，0.25%黄原胶浓度的样品的剪切应力最大。张盼盼等[26]报道瓜尔胶、黄原胶、刺槐豆胶会使淀粉黏度上升，与本研究结果一致。

图12 不同卡拉胶浓度下荸荠淀粉的表观黏度和剪切应力图

3 结论

荸荠淀粉糊是典型的剪切稀化的非牛顿型流体。在淀粉浓度、盐浓度、糖浓度、黄原胶、卡拉胶和瓜尔豆胶的影响下，荸荠淀粉糊流变特性发生变化。动态流变特性结果表明：G′、G″与淀粉浓度呈正相关。高浓度的蔗糖、黄原胶、卡拉胶以及瓜尔豆胶和食盐的添加，提高了体系的G′、G″。高浓度的食盐、黄原胶、卡拉胶和瓜尔豆胶，使得tanδ增大，体系表现为更强的流动性。而高浓度的淀粉以及蔗糖的添加，使得体系的tanδ降低，体系表现为更强的固体特性。静态流变特性结果表明：淀粉浓度越高，体系的表观黏度和剪切应力越大，食盐、蔗糖、黄原胶、卡拉胶和瓜尔豆胶在不同浓度下，对体系的表观黏度和剪切应力都有显著影响。因此，荸荠淀粉的流变性质可通过添加不同浓度的不同添加物来调整。此外，温度、酸碱度、不同植物来源淀粉和其他食品添加剂对荸荠淀粉流变特性的影响还需要进一步研究，以期为荸荠淀粉相关产品的开发提供更全面的参考。